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淺談:壓縮空氣儲能技術發展特點與趨勢

時間:2017-07-14 15:13來源:www.lalvt.club 作者:德耐爾空壓機
壓縮空氣儲能技術(簡稱:壓空)。壓縮空氣儲能屬于物理儲能方式的一種,它與抽水蓄能齊名,無論是存儲時間、放電功率、還是運行壽命,都有著卓越的表現,但它同樣有著自身的缺點,比如系統復雜,比如受地域影響等。

 壓縮空氣儲能技術(簡稱:壓空)。壓縮空氣儲能屬于物理儲能方式的一種,它與抽水蓄能齊名,無論是存儲時間、放電功率、還是運行壽命,都有著卓越的表現,但它同樣有著自身的缺點,比如系統復雜,比如受地域影響等。

一、壓縮空氣原理

壓縮空氣的基本原理很簡單,在電網負荷低谷期將電能用于壓縮空氣,將空氣高壓密封在報廢礦井、儲氣罐、山洞、過期油氣井或新建儲氣井中,在電網負荷高峰期釋放壓縮空氣推動汽輪機發電的儲能方式,原理如圖1所示。若需要更近一步解釋,你只需鎖定儲氣罐內的空氣即可,兩個動作,充氣時儲存能量,膨脹時釋放能量。

壓縮空氣基本原理

 

然而,如果在此處宣布已經掌握了壓空技術,還為時過早。要知道,原理不能解決任何問題,需要在原理的基礎上添磚加瓦,優化利用,才能達到合理的應用標準。于是,壓空的各種變異橫空出世,為了便于理解,要從溫度、壓力、容積等方面著手,一步步深入介紹。

1.溫度

先強調一點:溫度是一種能量。對于壓縮機而言,壓縮過程溫度越低,耗費電能越少;與之相反,對于膨脹機而言,膨脹起始點溫度越高,膨脹過程中得到的有用功越多。所以,降低壓縮溫度,或者提高膨脹進氣溫度,是提高系統效率的一種重要而有效的手段。請看圖2變異1,在空壓機的出口增加了冷卻器,以回收壓縮熱,在膨脹機(或渦輪機)的入口增加回熱器,以提高進氣溫度。回熱器的熱量可由冷卻器供給,如果必要,渦輪機的出口廢棄也可以進一步回收,這取決于廢棄的溫度品味。該系統叫稱為回熱式系統。

溫度

 

相較于原理型系統,回熱系統儲電效率有所增加,然而它的不足在于,冷卻器和回熱器分開設置,在熱量回收過程中存在較大熱損失。為解決這一問題,有人提出絕熱壓縮空氣系統,如圖3變異2。將壓縮過程中產生的熱量存儲起來,然后在發電過程中用這部分熱量預熱壓縮空氣,冷卻器和回熱器合為一體,對外進行絕熱處理,業內稱作先進絕熱壓縮空氣儲能系統(AA-CAES),該系統面臨的更大挑戰是如何經濟、有效地設計和制造出壓力工作范圍大的壓縮機、渦輪機和除熱器。

一切比較完美,但還忽略了一點,即使回收利用,壓縮過程中產生的熱量不足以使渦輪機持續長時間穩定運行,換句話說,只靠自身的熱回收很難保持系統抵抗外部負荷波動。熱量不夠怎么辦?引進額外熱源,天然氣,將天然氣與來自儲氣罐的高壓空氣混合燃燒,推進渦輪機旋轉發電。

變異

 

請看圖4變異3。對比以上系統,它的可靠性最高,穩定性最強,靈活性最優,所以在德國1978年建造首套壓空儲能電站時,果斷采用這種方案。然而,變異3的引發的問題在于:消耗化石能源,增加溫室氣體排放。于是在國內做壓空系統的高校研究所想方設法消除對外在熱源的利用,比如清華大學的盧強院士,推非補燃壓空系統。此處必須加句評論,難度都很大,不用補燃,系統復雜程度會提高,可靠性也會有波動,平衡各個功能單元,是一件技術含量很高的工作。

2.壓力

談到這里,如果你站起來宣布掌握了壓空技術,那么小德告訴你又早了。除了溫度之外,還有一個參數沒有講,壓力!與溫度相比,壓力的影響更加多元。壓縮階段,壓力越高,同等溫度下空氣密度越大,同等體積的儲罐儲存的空氣量更多,儲能密度更高;膨脹階段,初始入口壓力越高,出口壓力越低,有用功輸出越高。

現在的問題來了,能不能只使用一臺空壓機,比如從1個大氣壓直接壓縮到100個atm?膨脹過程從40個atm膨脹到1atm?我可以負責任的告訴你,理論上可以,但如果你真敢這么做,保證系統電-電轉換效率會低的讓你下不來臺!如何解決這一問題?熱力學給出的指引是多級壓縮,中間冷卻,可顯著降低壓縮過程中的電力消耗;多級膨脹,中間加熱,可顯著增加膨脹過程中的發電量,綜合起來,儲電效率必然顯著提高。

非補燃多級壓縮系統圖

 

圖5為非補燃多級壓縮系統圖,可以看出,在每臺空壓機后加裝熱回收器,通過回熱系統將熱量傳遞到各級膨脹機的入口處。

圖6

 

當系統采用絕熱壓縮時,綜合多級壓縮和多級膨脹,組成的系統如圖6所示。

絕熱壓縮

 

采用燃氣補熱的系統,多級壓縮階段與非補燃一致,不同的是在各級膨脹機入口加裝燃燒室,詳見圖7。

3.容積

容積

 

壓空系統的技術痛點在于氣體的密度太低,常壓下空氣密度為1.25kg/m3,即使在10MPa高壓下密度也只有100kg/m3左右,相比水的1000kg/m3,差了足足十倍,這意味在相同儲存質量下,空氣的罐子要比水大十倍。要解決大規模空氣存儲的方法至少有3個:

方法一,就地取材,尋找廢棄的礦井,進行密封承壓方面的改造,然后將空氣壓入其中,這種方法既經濟又可靠,而且儲量驚人,比如德國的Huntorf壓空電站可儲存30萬立方的空氣,但是,這種方式受制于地形限制,靈活性差,比如想在南京建一座壓空電站,即使金壇的溶洞再優越,也用不上。

方法二,高壓儲氣罐,該方式操作靈活,完全不受地域地形限制,比如中科院在廊坊的示范項目,采用2個直徑2.4m,長10m的儲罐,每個儲存45m3的高壓空氣,儲罐壓力10MPa,儲罐設備屬于特種設備范疇,無論從制造,安裝還是運行,都要經過嚴格的檢查,成本相對較高。

方法三,空氣液化。為了進一步減小儲罐體積,有專家想到了改變形態,將氣體液化,密度將增加上百倍,于是體積減少上百倍,通過設計,使膨脹機出口的空氣溫度低于78.6K(-196.5℃)時,空氣被液化,系統流程見圖8,這種系統的特點是體積小,管路復雜,效率低。

4.冷熱電三聯供

冷熱電三聯供

 

在儲能領域,壓空算是個另類,不能用傳統的評價標準衡量它,比如只追求電-電存儲效率,壓空肯定毫無優勢,非補燃機組能達到40%已算很不錯了。但它在發電的同時,還能兼顧供冷和供熱,俗稱冷熱電三聯供,其實原理沒有任何改變,只是將壓縮過程產生的熱量用于供熱,膨脹機出口的低溫空氣用于制冷,膨脹產生的有用功用于發電,詳見圖9。冷熱電三聯供的特點是能源利用效率高,若以熱能利用為基礎測算,系統效率可達70-85%。

二、系統特點

系統特點

 

在儲能家族中,壓空和抽水蓄能屬于一個陣營,即是一種可以大功率,長時運行的物理儲能技術,各種技術對比見圖10(CAES),技術特點如下:

(1)輸出功率大(MW級),持續時間長(數小時);

(2)單位建設成本低于抽水蓄能,具有較好的經濟性;

(3)運行壽命長,可循環上萬次,壽命可達40年;

(4)環境友好,零排放。

三、系統結構

系統結構

 

一套完整的壓空系統五大關鍵設備組成:由空壓機、儲氣罐、回熱器、膨脹機以及發電機,結構詳情如圖11。

1.空壓機

空壓機

 

空壓機是一種提升氣體壓力的設備,如圖12。空壓機的種類和壓縮方式各不相同,但設計者會更關心它的進出口壓力參數,表征為四個參數,一是工作壓力區間,二是壓縮比,即進出口壓力比值,三是進出口溫度或絕熱效率,四是壓縮功率與流量。清華大學盧強院士的500kW壓空系統中所用其中一臺空壓機機參數為:進氣壓力1atm,25℃,排氣壓力3.5atm,143℃,壓縮比3.5,軸功率76.7kW。

2.儲氣罐

儲氣罐是高壓空氣的出廠場所,說白了就是一個巖洞或者一個罐子。這里還是要強調,溫度是一種能量,60℃和20℃條件下,空氣的能量大不一樣,所以有必要對儲罐進行保溫處理,盡量維持罐內溫度一致,減小對流損失。尺寸與耐壓等級等制造問題,需交給工廠處理。

3.回熱器

回熱器是熱交換器的統稱,包括預熱器,冷卻器,換熱器等等,回熱器的功能是通過溫差傳熱回收熱量,達到節能效果。

4.膨脹機

膨脹劑

 

膨脹機的英文名字叫“turbine”,又叫透平,也有叫渦輪機的,它的功能是通過膨脹,將空氣的內能轉化為動能,推動與之相連的發電機,又將動能轉化為電能,見圖13。標定膨脹機的參數有進出口壓力與溫度,膨脹系數等。

5.發電機

發電機是一種發電設備,將各種形式的能量轉化成電能,此處略過。

四、壓空系統應用領域

(1)調峰與調頻。大規模壓空系統最重要的應用就是調峰和調頻,調峰的壓空電站分為兩類,獨立電站以及與電站匹配的壓空系統。

(2)可再生能源消納。壓空系統可將間斷的可再生能源儲存起來,在用電高峰期釋放,可顯著提高可再生能源的利用率。

(3)分布式能源。大電網和分布式能源系統結合是未來高效、低碳、安全利用能源的必然趨勢。由于壓空具備冷熱電聯供的優點,在分布式系統中將會有很好的應用。

五、性能評價指標

性能評價指標

 

為了更清楚表達工作過程的能量傳遞,小德借用了哈佛大學Azziz教授論文中的一張圖,見圖14。其中W為電功,Q為熱量,箭頭向內代表進入系統,向外表示系統輸出,流程箭頭代表空氣流向。一目了然,比如壓縮機工作消耗的電能來自于電網,膨脹時向電網輸出電能,都能直觀看到,并且判斷:系統用電越小越好,回收的熱量越多越好,向外輸出的電能越大越好。

在我看來,表征系統性能的參數主要有兩個,一個是電能存儲效率,另一個是系統能量效率。電能存儲效率是電能輸出與輸入的比值,這對電網運營至關重要;系統能量效率是輸出的電能+熱能與輸入之比,表征整個系統的總效率,這對壓空系統至關重要。

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作者:德耐爾@德耐爾空壓機  空壓機修訂日期:2017-07-14
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